계장기술(PROCON)

기획특집 태양광발전시스템의 보호 기술

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작성자 최고관리자 댓글 0건 조회 14회 작성일 20-02-14 18:28

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1. 지락보호기술

(1) GPT 이해
판단 기준 제23조에 의거 변압기 2차는 특별고압과 저압의 혼촉에 의한 위험방지를 위하여 저압 측에 제2종 접지공사를 한다. 이때 중성점이 있으면 중성점에 제2종 접지공사를 하고, 중성점이 없으면 사용 전압 300V 이하인 경우에 임의의 1단자에 할 수 있다.
우리나라의 대부분 태양광발전시스템은 변압기 2차 전압을 440V로 하는 경향이 있다. 400V를 넘으면 판단 기준 제41조에 의거 지락차단장치를 설치해야 한다.
변압기 결선은 Y-Y-D 결선을 사용하기 때문에 판단 기준 제23조에 의한 혼촉의 위험을 방지하기 위해 “혼촉방지판 부 변압기”를 사용하고, 판단 기준 제41조에 의한 지락차단장치를 위하여 GPT를 사용하고, 지락 시 발생하는 3차 권선의 영상전압을 지락계전기에서 처리하여 차단하는 방법을 주로 사용하고 있다.
태양광발전시스템의 모듈과 대지 사이에 그림 1과 같이 “parasitic capacitance”가 존재하며, 이 커패시턴스 성분을 통하여 누설전류(이를 ‘stray current’라 한다)가 흐르게 된다. 최근에는 transformer-less 인버터를 주로 사용한다. 이 경우 직류 측 또는 교류 측 어디에서 지락이 되거나 parasitic capacitance에 의한 불평형 누설전류가 흐르게 될 경우, 이 전류는 GPT를 통하여 흐르게 된다. GPT는 한류저항의 크기에 따라 다르지만, 일반적으로 100~300㎃ 정도의 지락전류가 흐르게 되어 있다. 이러한 Stray current는 인버터 종류, 태양광발전시스템의 크기, 직류 배선방법 등에 따라 다르지만, 수십㎃에서 수A까지 큰 전류가 흐르게 된다.

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GPT는 모두 단시간 정격으로 되어 있어 지락전류 차단을 신속히 하지 않으면 과열 소손될 수 있다. GPT 부담도 그림 2에서와 같이 50/100 VA를 사용하기도 한다(필자는 연속정격을 사용하거나 최소 500VA 이상 설치하여야 한다고 본다), 이렇게 되면 직류 측에 지락사고 또는 Parasitic capacitance에 의한 불평형 전류가 흐르면 GPT가 소손될 확률이 매우 높다. 태양광발전시스템에서 GPT 소손사고가 매우 많이 발생하는데, 이는 이와 같이 지락사고 또는 불평형전류가 많이 흐르는데 비하여 부담이 작거나 단시간 정격을 사용하기 때문이고, 지락사고에 대한 이해가 부족하여 그냥 방치하기 때문이다. 
그림 3은 소손된 GPT 및 CLR 사진이다. 이는 지락사고를 조속히 차단하고, 지락 개소를 제거하지 않는 사유도 있지만 가장 중요한 것은 단시간 정격을 사용하는 것이다. GPT 소손사고가 발생하면 계통에 지락사고가 있었다고 판단해야 하는데, 이를 무시하고 GPT 결함으로 판단하여 GPT만 교체하기도 한다. 이 경우 지락사고는 해소되지 않았기 때문에 반복적으로 GPT가 소손될 우려가 높다. 어떤 현장은 GPT 퓨즈를 제거하거나 접지선을 제거하고 운전하는 경우가 있는데, 이는 다른 사고(특히 2중 지락사고)로 확대될 수 있기 때문에 매우 위험하다.

(2) 이중 지락사고 사례
2016. 2월 충남 당진군에 있는 공장 지붕에 설치한 2MW 태양광발전시스템에서 화재가 발생하였다. 화재로 인하여 그림 4와 같이 모듈, 배선 등이 소손되었고, 지붕재가 일부 화재로 소실되었다. 또한 다수의 SPD가 소손되었고, 인버터 Fuse 등이 소손되었다. 지붕이 화재로 소실되어 소방관들이 화재 진압과정에 뿌린 물이 공장 내부로 쏟아져서 생산라인에 장애가 발생하였다. 여러 가지 데이터, CCTV 영상 기록, 사고 현장 등을 종합하여 다음과 같이 화재 원인을 추정하였다.

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•오래 전부터 1차 지락사고가 있었다. 이때 그림 3과 같이 지락전류가 GPT로 흐르게 되어 GPT가 소손되었으나(GPT 소손사고가 2회에 걸쳐 일어남) 지락사고를 해소하지 않고 GPT만 교체하였으며, 계속하여 GPT가 소손되니까 퓨즈를 제거하고 사용하였다. 즉, GPT 소손의 원인인 지락상태는 지속되고 있었다.
•2016년 2월 17일 오후 2시 20분경 2차 지락사고가 발생하였다. 그 결과 해당 어레이의 출력이 zero로 나타났다. 오후 2시 34분 경 CCTV 영상에 연기가 발생하는 것이 확인되었고, 2시 55분경 화염이 발생하기 시작하였다.
•그림 5와 같이 1차 누전사고로 추정되는 곳에 아크로 인한 동선의 단락혼(용융 흔적)이 다수 발견되었다. 아크로 인한 동선의 단락흔은 용융된 부분이 매끄럽고 광택이 있으며, 물방울 모양의 형태를 갖는 것이 특징이다. 

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•그림 6에서와 같이 오래 전부터 케이블 트레이 내에 있는 어레이 간선의 –선에서 1차 누전사고(Ig-first)가 있었다, 이후 사고 당일 스트링의 +선에서 2차 지락사고가 발생하였다. 이는 이중 지락사고(double ground fault)로 발전하였으며, 결과적으로 병렬아크의 형태로 이어져 화재가 발생한 것이다. 아크가 발생하면 3,000℃ 정도로 온도가 상승한다. 직류는 특히 플라즈마 방전으로 발전할 수 있으며, 이 경우 19,400℃까지 온도가 상승한다.  

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(3) 지락차단장치 규격(IEC 60364-7-712)
판단 기준 제54조 제1항 7호에 태양광발전시스템은 지락차단장치를 설치하도록 규정하고 있으나, 세부적으로 어떻게 하는 것인지에 대하여 제시하지 못하고 있다. 최근에는 대부분 IEC 규격을 많이 활용하고 있는데, 2017년에 개정된 IEC 60364-7-712에 자세히 규정하고 있다.
절연 전력변환장치(변압기 내장)를 설치하고 직류 측의 전로에 접지하지 않는 경우, 절연모니터링장치(IMD : Insulation Monitoring Device)를 다음과 같이 시설하여야 한다.
•그림 7과 같이 비절연 인버터(무변압기 방식)를 사용하는 태양광발전시스템은 지락전류 통로가 없어서 절연저항을 모니터링하고, 표 1에서 정한 값 이상이 되면 차단하는 방식인 IMD를 직류 측에 설치하여야 한다.
•절연저항은 운전을 시작하기 전 또는 24시간마다 한 번씩 측정하여야 한다.
•절연저항값은 표 1에서 정한 값 이상이어야 한다.

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•IMD는 여러 가지 방식이 있다. 용량이 큰 경우는 인버터의 바이패스 기능을 활용하여 교류 측의 절연저항도 감시가 가능할 수도 있다. 다만, 이것이 기술적으로 가능한지 또는 인버터 차단기가 차단된 경우 교류 측의 지락보호는 어떻게 볼 것인지 등에 대한 해석이 필요하다.
 그림 8과 같이 비절연 인버터(무변압기형)를 설치하고, 그 전원 측의 교류전로를 접지(저항접지 포함한다)하는 경우는 직류성분과 교류성분 모두에 동작하는 지락차단장치(B형 RCD)를 다음과 같이 교류 측에 시설하여야 한다.
•태양광발전시스템에서 특별고압으로 연계하는 경우 저압에는 GPT를 통한 지락보호를 하고, 저압 연계를 하는 경우는 한전 변압기가 직접 접지되어 있어 교류 측에 RCD를 설치하여야 한다.
•B형 RCD는 전력변환장치 용량이 30kVA 이하인 경우 지락전류 300mA 이하에서 300mS 이내에 동작하여야 한다. 전력변환장치 용량이 30kVA를 초과하는 경우 kVA당 10mA를 가산한다.
•B형 RCD는 지락전류가 급격히 변화하는 경우 표 2와 같은 시간 이내에 동작하여야 한다.

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•RCD는 교류 지락차단용 A형과 교류/직류 모두 가능한 B형으로 나누어진다. 태양광발전 시스템은 B형  RCD를 설치하여야 한다.
  위의 두 가지 방법은 모두 지락사고 시 메인이 차단되어 전체가 정전되는 방식이다. 이러한 문제를 해결하기 위하여 지락차단장치를 스트링 또는 서브-어레이별로 설치하여, 지락사고 시 해당 스트링만 선택 차단하는 방식이 바람직하다. 이것이 어려울 경우 최소한 스트링별로 지락상황을 모니터링하고 이를 담당자에게 통보하는 방식을 권장한다.
2. 직류아크 보호 기술

(1) 아크 발생
교류는 그림 9와 같이 1초에 60번 교번하면서 전압이 Zero가 되는 Zero crossing point가 1초에 120번 주기적으로 온다. 교류(AC)회로에서 회로를 차단하면 1/2 사이클(8.3ms)마다 ‘Zero crossing’이 있으므로 이 부근에서 소호하여 차단이 용이하다. 반면 직류는 ‘Zero crossing’이 없고, 항상 일정한 값을 유지하기 때문에 차단될 때 소호가 용이하지 않고 큰 아크전압이 발생하게 된다.
직류에서 아크는 직렬아크, 병렬아크, 지락아크로 나누어진다. 직렬아크(Series arcing)는 그림 10과 같이 직류전류가 흐르는 동안 접촉 불량이 있거나 연결이 끊어질 때 발생한다. 직렬아크는 납땜 불량, 조인트 및 압축 터미널 연결 부위, 와이어 리드에 사용되는 커넥터, DC 개폐기의 접촉부 등에서 발생한다.

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지락아크(Grounding arcing)는 대지와의 절연이 불량일 경우에 발생한다. 이것은 태양전지 셀의 절연이 파괴되거나, 배선시스템 중 일부가 대지와 절연이 파괴된 경우 발생한다.
병렬아크(Parallel arcing)는 그림 11과 같이 절연 불량 등으로 +극과 –극 사이에 전류가 흐를 때 발생한다. 동일한 직류 회로에서 반대 극성의 두 도체는 종종 아주 가깝게 배선되어 있다. 두 개의 전선 사이의 절연은 동물에 의한 손상, 자외선, 균열, 수분 침투, 기계적 손상으로 등으로 인해 영향을 받을 수 있다. 앞의 절에서 언급한 이중지락도 병렬아크로 볼 수가 있다.

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흔히 결함은 한 유형의 결함(예 : 직렬아크 또는 지락아크)으로 시작될 수 있지만, 다른 유형의 결함(병렬아크)으로 발전할 수 있다. 직류에서의 아크는 한번 발생하면 교류보다 자기소호(Self-extinguish)가 어려워 화재로 발전할 위험이 매우 높다.                     

(2) 아크 발생 메커니즘 및 아크 발생 시의 온도
아크 결함은 이온화된 가스 분자에 의한 에어 갭을 통한 전기에너지의 흐름이다. 공기는 일반적으로 비전도성 매체로 간주되지만, 근접한 두 도체 사이의 전위차(전압)로 인해 공기 분자가 이온화된 성분(‘플라즈마’라고 함)으로 분해될 수 있다. 하나의 전극에서 다른 전극으로 전하를 전달할 수 있다(그림 12 참조).
모든 전기설비는 아크의 위험에 노출되어 있지만, 직류시스템은 특히 아크에 대한 위험이 높다. 태양광발전시스템의 전압이 1000V 정도에 있다고 하더라도 아크 위험에 노출되어 있다. 직류아크는 자체 소화되지 않으며, 3,000℃의 높은 온도에 도달할 수 있다. 아크가 플라즈마 현상을 동반하는 경우 약 19,400℃까지 온도가 상승한다. 이 정도의 아크로 인한 온도는 금속을 녹일 수 있으며, 슬래그로 떨어져서 근처의 가연성 물질을 점화시킬 수 있다.

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(3) 아크보호장치
아크가 발생하면 전 주파수 대역에 걸쳐 고주파의 파형이 나타난다. 그림 13과 같이 분홍색이 아크 발생시 나타나는 파형이다. 아크를 검출하는 기술은 이와 같이 파형을 검출하여 아크 유무를 판정한다. 청색은 인버터 가동 시 나타나는 파형 등이며, 경우에 따라서는 아크와 인버터 switching noise와 차이가 없을 수도 있다. 이와 같이 아크 검출기술에는 노이즈에 동작할 우려가 있다.
전기설비 판단 기준에는 아직 아크 차단기 사용을 규제하지 못하고 있다. 미국은 2011년 NEC 690. 11에 아크차단기 설치를 의무화하였다. 최대 개방전압 80V를 넘는 건축물에 설치하는 태양광은 직류 아크차단기(AFCI : Arc Fault Circuit Breaker)를 의무적으로 설치하도록 규정하였다. IEC 603 64-7-712 규정에도 부록에 개념 수준의 근거를 마련하였다.
그림 14는 우리 회사가 사용하고 있는 아크차단기이다. UL 1699B 규격에 적합한 아크차단기이며, 아크 신호 검출와 신호처리장치를 보여준다. 아크 강도 40 이상에 동작할 수 있도록 Threshold가 조정되어 있다.

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3. 과도과전압 보호 기술

(1) 태양광발전설비에 뇌 침입 시 발생하는 유도전압 및 억제기술
태양광발전시스템에 뇌 침입 시 유도전압 계산 예이다.
•그림 15와 같이 설치한 태양광발전시스템에서 피뢰도선은 검정색으로 표시하였고, 스트링 배선은 주황색으로 표시하였다. 그 결과 스트링 배선에서 녹색과 같은 큰 개방루프가 형성되었다.
•뇌 전류가 흐르면, 이 전류는 피뢰도선을 통하여 흐르게 된다. 스트링 배선의 개방루프가 구성되어 태양광 스트링 회로에 큰 유도 전류를 발생시킨다. 그림 16은 간단한 등가회로이다.
•모듈에 유도되는 개방전압은 다음 식과 같이 계산할 수 있다.

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I(t):100kA, μ0:0.4π μH/m, ℓ:1.4m, b:14m, ds : 1400 mm로 가정할 경우 모듈에 유도되는 전압 V4는 384 kV이다.
계산 결과에서와 같이 어레이 배선의 개방루프 크기를 크게 하면, 높은 전압이 유도되어 매우 위험하다. 
스트링/어레이의 개방루프 면적을 크게 한 경우 큰 유도전압이 모듈에 유도되어 그림 17a와 같이 태양전지 셀에 마이크로 크랙이 발생할 수 있으며, 그림17b와 같이 모듈에 과전압이 유기되어 손상을 가져올 수 있다.

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IEC 60364-7-712.521.103 규정에 의하면 “스트링/어레이 회로에 유도되는 과도과전압의 크기를 줄이려면 PV 스트링/어레이 배선을 도전성 루프의 면적이 최소가 되도록 배치해야 한다”라고 되어 있다.
그림 18a는 개방루프 면적을 작게 배선한 예이고, 그림 18b는 개방루프 면적을 크게 배선한 예이다. 가장 놓은 방법은 배선을 Twist로 하는 방법이다.

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 (2) 태양광발전시스템의 내전압 및 내임펄스 규정
모듈 및 인버터는 제조회사에서 내전압 및 내임펄스전압을 자체 시험하여 시험성적서로 공개하여야 한다. IEC 60364-7-712에 의하면 제조자로부터 정보가 없는 경우, 임펄스내전압은 모듈이나 변환기기에 관하여 다음 표 3과 같이 선정한다.
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위의 내임펄스 전압값이 정해지면 SPD는 이 값의 80% 이하에서 SPD의 전압 방호레벨(Up)의 값을 정해야 한다.
(3) SPD 설치
절연 협조를 위하여 적정한 SPD를 설치하는 것이 매우 중요하다. 대부분 서지보호장치(SPD)를 설치하는 것은 인지하고 있는데, 정격 등에 대한 세부사항이 미흡한 실정이다. SPD 규격이 적정하지 못하고 설치 위치, 전선 굵기 등이 적정하지 못하면 설치하지 않은 것과 같다.
태양광발전시스템의 경우 IEC 60364-7-712 규격에 SPD 시험등급, 정격전압, 방전전류, 설치 위치, 전선 굵기 등에 대한 상세한 사항이 규정되어 있다. 
•SPD는 II등급을 적용할 것
•태양광 전용의 것(직류전용)을 설치한다
•SPD의 전압방호레벨은 제조 회사가 제공한 정보에 의할 것. 제조 회사가 제공한 정보가 없는 경우, 모듈이나 변환장치 충격내전압 Uw은 표 3 이상이어야 하고, 방호레벨은 이 값의 80% 이상일 것이다
•SPD가 허용할 수 있는 최대전압값(Ucpv)은 태양광 어레이의 최대개방전압 UOC MAX 이상일 것
•접지단자에 직류용 SPD를 접속하는 경우 도체 단면적은 II등급 SPD일 때 최소 6㎟(I등급 시험 SPD는 최소 16㎟) 동선 또는 이와 동등 이상일 것
•SPD의 공칭방전전류(In) 최소값은 5kA 이상일 것 
•SPD는 적정용량의 과전류차단장치를 설치할 것
SPD는 일반적으로 그림 19a와 같이 V형을 사용하는데, 이 경우 1선 지락 등의 경우에 건전 상에 과전압이 걸려 SPD가 소손할 수 있다. 그림 19b와 같이 중성점에 직렬갭이 있는 “갭 내장형 SPD”를 사용하여야 한다.

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4. 과전류 보호 기술

(1) 두 개의 스트링으로 이루어진 소형 태양광발전시스템
그림 20과 같이 2개의 스트링으로 이루어진 소형의 경우 고장난 모듈 또는 스트링은 전기를 생산하지 못한다. 고장난 모듈 또는 스트링은 도체의 역할을 한다. 한 개의 모듈 또는 스트링이 도체가 되면 이로 인하여 다른 모듈 또는 스트링의 단락을 일으킨다.
한 쪽 스트링의 전압이 낮은 값으로 되면 남아 있는 스트링에 의한 전압은 고장난 스트링의 임피던스에 의하여 매우 낮은 값으로 제한되기 때문에 출력은 매우 낮게 된다. 또한, 어레이의 전압이 인버터의 작동 한계치(Working threshold) 이하로 될 수 있어 인버터의 작동을 멈추게 된다. 
IEC 61730-2 및 IEC 60364-7-712에 의거 모듈은 2시간 동안 1.35배의 전류에 견디도록 되어 있기 때문에 별도의 과전류 보호장치는 설치하지 않아도 된다.

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(2) 다수의 스트링으로 구성된 태양광발전시스템
그림 21과 같이 다수의 스트링으로 구성된 태양광발전시스템에서 사고가 발생하면 건전 스트링에서 인버터 쪽으로 전류가 흐르는 것이 아니고, 건전 스트링에서 고장 스트링으로 전류가 흐르게 되어 케이블 등이 과전류의 위험에 이르게 된다. 이 전류는 단락전류의 몇 배에 이르는 큰 전류가 흐르게 되어 위험하다.
 IEC 규격에 의한 태양광발전시스템의 과부하 보호장치 규격은 표 4와 같다.

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(3) 퓨즈 정격 및 고려사항
•스트링 퓨즈는 그림 22와 같이 정극성(+), 부극성(-) 양쪽에 설치하여야 한다.
•스트링 퓨즈는 IEC 60269-6에 따라 gPV형이어야 한다.
•스트링 퓨즈는 Voc(stc) x M x 1.15에 동작하는 정격이어야 한다. 여기서, M은 열 스트링 수이다.
•스트링 퓨즈는 1.5 x Isc stc ≤ In ≤ 2.4 x Isc stc에서 동작하는 정격을 선정하여야 한다.
   여기서, In은 최대 직렬 퓨즈용량이다.

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<참고문헌>
1. IEC 60374-7-712(2017)
2. NEC 690(2017)
3. 저압범위 확대에 따른 태양광발전설비 관련 시설 기준 개선 연구(2019년, 대한전기협회, 용역자: 피에스디테크놀러지스 강창원)
4. ESS 안전 확보를 위한 실증 기반의 안전성 평가지표 개발 및 시설 기준 제정 연구(2020년, 한국전기기술인협회, 용역자 : 피에스디테크놀러지스 강창원)
5. 피에스디테크놀러지스 태양광발전시스템 진단 용역 보고서 다수
6. 접속반 매뉴얼 : 피에스디테크놀러지스
7. 다수 기관 강의 원고(강창원)


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